微电子封装中界面应力奇异性研究

摘要

在电子封装结构中存在着大量的界面构造,例如焊锡接点中的焊锡材料与Cu垫片界面。由于界面两侧材料性质的不同引起界面端应力奇异性。因此,研究界面应力奇异性对理解焊锡接点的失效有重要意义,引起的失效问题成为电子封装可靠性研究的重要课题。
　　 本文采用界面力学理论研究了PCB板与Cu垫;Cu垫与焊锡接点;焊锡接点与金属间化合物构成的界面的应力奇异性。焊锡接点采用不同界面结合角度来反映其形状结构,同时选用Sn3.0Ag0.5Cu,Sn3.5Ag,Sn37Pb三种材料的焊锡接点。利用数值方法对界面特征方程进行求解,得到随着焊锡接点接触角度的增加,其界面特征值减小,应力奇异性表现明显。Sn37Pb材料的界面特征值低于Sn3.5Ag,Sn3.0Ag0.5Cu材料,表明Sn37Pb界面应力奇异性高于其他两种焊料。
　　 特征值只反映了界面处的奇异性现象,但当几何形状和载荷较复杂时,难以找到应力分布的解析解。因此,本文采用了有限元方法来研究界面的应力分布。建立了二维板级电子封装力学模型,计算了在静载荷作用下不同材料、形状的焊锡接点界面的应力分布。得到随着焊锡接点接触角的增加,界面端的应力奇异性表现明显。Sn37Pb材料的焊锡接点界面应力奇异性强于Sn3.5Ag,Sn3.0Ag0.5Cu。
　　 此外,采用静载荷下的三线性线弹性材料模型和动载荷下的Johnson-Cook材料模型计算焊锡接点界面的应力分布,并与弹性材料模型的应力分布结果进行比较,得到弹性模型在界面端的应力奇异性强于其他两种材料模型。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 电子封装技术背景

1.1.1 集成电路的发展

1.1.2 微电子封装技术

1.1.3 电子封装的层次

1.1.4 表面组装技术

1.1.5 球栅阵列连接

1.2 电子封装可靠性

1.2.1 可靠性

1.2.2 电子封装可靠性

1.2.3 焊点可靠性问题

1.2.4 焊锡接点的失效模式

1.3 界面力学在电子封装中的应用

1.3.1 界面力学的发展与研究现状

1.3.2 界面力学在电子封装中的应用

1.4 论文主要工作

第2章 双材料界面的应力奇异性

2.1 引言

2.2 界面的力学模型

2.2.1 界面分类

2.2.2 界面上的应力奇异点

2.3 界面端奇异应力场

2.3.1 Dundurs参数

2.3.2 平面界面端附近的奇异应力场

2.4 本章小结

第3章 电子封装中的界面应力奇异性

3.1 引言

3.2 板级电子封装中的界面力学问题

3.3 PCB板与Cu垫界面端的应力奇异性

3.3.1 PCB板与Cu垫界面端应力奇异指数求解

3.3.2 Cu垫形状对应力奇异指数的影响

3.4 焊锡接点与Cu垫界面端的应力奇异性

3.4.1 焊锡接点材料的选用

3.4.2 焊锡接点与Cu挚界面的Dundurs参数计算

3.4.3 焊锡接点的形状

3.4.4 焊锡接点界面端奇异指数的求解

3.5 金属间化合物层(IMC)的界面应力奇异性指数

3.6 本章小结

第4章 电子封装焊锡接点的界面应力

4.1 引言

4.2 电子封装板级结构的有限元模型

4.2.1 有限元模型的简化

4.2.2 有限元模型的基本参数

4.3 焊料和焊球几何形状对界面应力分布的影响

4.4 弹塑性变形对焊锡接点界面应力分布的影响

4.4.1 焊锡材料的率无关本构模型

4.4.2 焊锡接点产生弹塑性变形的界面应力分布

4.5 跌落冲击载荷对焊锡接点界面应力分布的影响

4.5.1 Johnson-Cook材料模型

4.5.2 焊锡接点在跌落冲击载荷下的界面应力分布

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢